Background— The delivery of autologous cells to increase angiogenesis is emerging as a treatment option for patients with cardiovascular disease but may be limited by the accessibility of sufficient cell numbers. The beneficial effects of delivered cells appear to be related to their pluripotency and ability to secrete growth factors. We examined nonadipocyte stromal cells from human subcutaneous fat as a novel source of therapeutic cells. Methods and Results— Adipose stromal cells (ASCs) were isolated from human subcutaneous adipose tissue and characterized by flow cytometry. ASCs secreted 1203±254 pg of vascular endothelial growth factor (VEGF) per 10 6 cells, 12 280±2944 pg of hepatocyte growth factor per 10 6 cells, and 1247±346 pg of transforming growth factor-β per 10 6 cells. When ASCs were cultured in hypoxic conditions, VEGF secretion increased 5-fold to 5980±1066 pg/10 6 cells ( P =0.0016). The secretion of VEGF could also be augmented 200-fold by transfection of ASCs with a plasmid encoding VEGF ( P <0.05). Conditioned media obtained from hypoxic ASCs significantly increased endothelial cell growth ( P <0.001) and reduced endothelial cell apoptosis ( P <0.05). Nude mice with ischemic hindlimbs demonstrated marked perfusion improvement when treated with human ASCs ( P <0.05). Conclusions— Our experiments delineate the angiogenic and antiapoptotic potential of easily accessible subcutaneous adipose stromal cells by demonstrating the secretion of multiple potentially synergistic proangiogenic growth factors. These findings suggest that autologous delivery of either native or transduced subcutaneous ASCs, which are regulated by hypoxia, may be a novel therapeutic option to enhance angiogenesis or achieve cardiovascular protection.

Endothelial progenitor cells (EPCs) have been isolated from peripheral blood and can enhance angiogenesis after infusion into host animals. It is not known whether the proangiogenic effects are a result of such events as endothelial differentiation and subsequent proliferation of EPCs or secondary to secretion of angiogenic growth factors.Human EPCs were isolated as previously described, and their phenotypes were confirmed by uptake of acetylated LDL and binding of ulex-lectin. EPC proliferation and surface marker expression were analyzed by flow cytometry, and conditioned medium was assayed for growth factors. The majority of EPCs expressed monocyte/macrophage markers such as CD14 (95.7+/-0.3%), Mac-1 (57.6+/-13.5%), and CD11c (90.8+/-4.9%). A much lower percentage of cells expressed the specific endothelial marker VE-cadherin (5.2+/-0.7%) or stem/progenitor-cell markers AC133 (0.16+/-0.05%) and c-kit (1.3+/-0.7%). Compared with circulating monocytes, cultured EPCs showed upregulation of monocyte activation and macrophage differentiation markers. EPCs did not demonstrate any significant proliferation but did secrete the angiogenic growth factors vascular endothelial growth factor, hepatocyte growth factor, granulocyte colony-stimulating factor, and granulocyte-macrophage colony-stimulating factor.Our findings suggest that acetylated LDL(+)ulex-lectin(+) cells, commonly referred to as EPCs, do not proliferate but release potent proangiogenic growth factors. The majority of acetylated LDL(+)ulex-lectin(+) cells are derived from monocyte/macrophages. The findings of low proliferation and endothelial differentiation suggest that their angiogenic effects are most likely mediated by growth factor secretion. These findings may allow for development of novel angiogenic therapies relying on secreted growth factors or on recruitment of endogenous monocytes/macrophages to sites of ischemia.

Abstract Increasing evidence recognizes Alzheimer's disease (AD) as a multifactorial and heterogeneous disease with multiple contributors to its pathophysiology, including vascular dysfunction. The recently updated AD Research Framework put forth by the National Institute on Aging–Alzheimer's Association describes a biomarker‐based pathologic definition of AD focused on amyloid, tau, and neuronal injury. In response to this article, here we first discussed evidence that vascular dysfunction is an important early event in AD pathophysiology. Next, we examined various imaging sequences that could be easily implemented to evaluate different types of vascular dysfunction associated with, and/or contributing to, AD pathophysiology, including changes in blood‐brain barrier integrity and cerebral blood flow. Vascular imaging biomarkers of small vessel disease of the brain, which is responsible for >50% of dementia worldwide, including AD, are already established, well characterized, and easy to recognize. We suggest that these vascular biomarkers should be incorporated into the AD Research Framework to gain a better understanding of AD pathophysiology and aid in treatment efforts.

Mitochondria exist in dynamic networks that undergo fusion and fission. Mitochondrial fusion and fission are mediated by several GTPases in the outer mitochondrial membrane, notably mitofusin-2 (Mfn-2), which promotes fusion, and dynamin-related protein (Drp-1), which promotes fission. We report that human lung cancer cell lines exhibit an imbalance of Drp-1/Mfn-2 expression, which promotes a state of mitochondrial fission. Lung tumor tissue samples from patients demonstrated a similar increase in Drp-1 and decrease in Mfn-2 when compared to adjacent healthy lung. Complementary approaches to restore mitochondrial network formation in lung cancer cells by overexpression of Mfn-2, Drp-1 inhibition, or Drp-1 knockdown resulted in a marked reduction of cancer cell proliferation and an increase in spontaneous apoptosis. The number of cancer cells in S phase decreased from 32.4 ± 0.6 to 6.4 ± 0.3% with Drp-1 inhibition (P< 0.001). In a xenotransplantation model, Mfn-2 gene therapy or Drp-1 inhibition could regress tumor growth. The tumor volume decreased from 205.6 ± 59 to 70.6 ± 15 mm3 (P<0.05) with Mfn-2 overexpression and from 186.0 ± 19 to 87.0 ± 6 mm3 (P<0.01) with therapeutic Drp-1 inhibition. Impaired fusion and enhanced fission contribute fundamentally to the proliferation/apoptosis imbalance in cancer and constitute promising novel therapeutic targets.—Rehman, J., Zhang, H. J., Toth, P. T., Zhang, Y., Marsboom, G., Hong, Z., Salgia, R., Husain, A. N., Wietholt, C., Archer, S. L. Inhibition of mitochondrial fission prevents cell cycle progression in lung cancer. FASEB J. 26, 2175-2186 (2012). www.fasebj.org

Rationale: Pulmonary arterial hypertension (PAH) is a lethal syndrome characterized by pulmonary vascular obstruction caused, in part, by pulmonary artery smooth muscle cell (PASMC) hyperproliferation. Mitochondrial fragmentation and normoxic activation of hypoxia-inducible factor-1α (HIF-1α) have been observed in PAH PASMCs; however, their relationship and relevance to the development of PAH are unknown. Dynamin-related protein-1 (DRP1) is a GTPase that, when activated by kinases that phosphorylate serine 616, causes mitochondrial fission. It is, however, unknown whether mitochondrial fission is a prerequisite for proliferation. Objective: We hypothesize that DRP1 activation is responsible for increased mitochondrial fission in PAH PASMCs and that DRP1 inhibition may slow proliferation and have therapeutic potential. Methods and Results: Experiments were conducted using human control and PAH lungs (n=5) and PASMCs in culture. Parallel experiments were performed in rat lung sections and PASMCs and in rodent PAH models induced by the HIF-1α activator, cobalt, chronic hypoxia, and monocrotaline. HIF-1α activation in human PAH leads to mitochondrial fission by cyclin B1/CDK1–dependent phosphorylation of DRP1 at serine 616. In normal PASMCs, HIF-1α activation by CoCl 2 or desferrioxamine causes DRP1-mediated fission. HIF-1α inhibition reduces DRP1 activation, prevents fission, and reduces PASMC proliferation. Both the DRP1 inhibitor Mdivi-1 and siDRP1 prevent mitotic fission and arrest PAH PASMCs at the G2/M interphase. Mdivi-1 is antiproliferative in human PAH PASMCs and in rodent models. Mdivi-1 improves exercise capacity, right ventricular function, and hemodynamics in experimental PAH. Conclusions: DRP-1–mediated mitotic fission is a cell-cycle checkpoint that can be therapeutically targeted in hyperproliferative disorders such as PAH.

Background— Excessive proliferation and impaired apoptosis of pulmonary artery (PA) smooth muscle cells (PASMCs) contribute to vascular obstruction in patients and fawn-hooded rats (FHRs) with PA hypertension (PAH). Expression and activity of mitochondrial superoxide dismutase-2 (SOD2), the major generator of H 2 O 2 , is known to be reduced in PAH; however, the mechanism and therapeutic relevance of this are unknown. Methods and Results— SOD2 expression in PASMCs is decreased in PAH patients and FHRs with PAH. FHR PASMCs have higher proliferation and lower apoptosis rates than Sprague-Dawley rat PASMCs. Moreover, FHR PASMCs have hyperpolarized mitochondria, low H 2 O 2 production, and reduced cytoplasmic and mitochondrial redox state. Administration of SOD2 small interfering RNA to normal PASMCs recapitulates the FHR PAH phenotype, hyperpolarizing mitochondria, decreasing H 2 O 2 , and inhibiting caspase activity. Conversely, SOD2 overexpression in FHR PASMCs or therapy with the SOD-mimetic metalloporphyrin Mn(III)tetrakis (4-benzoic acid) porphyrin (MnTBAP) reverses the hyperproliferative PAH phenotype. Importantly, SOD-mimetic therapy regresses PAH in vivo. Investigation of the SOD2 gene revealed no mutation, suggesting a possible epigenetic dysregulation. Genomic bisulfite sequencing demonstrates selective hypermethylation of a CpG island in an enhancer region of intron 2 and another in the promoter. Differential methylation occurs selectively in PAs versus aortic SMCs and is reversed by the DNA methyltransferase inhibitor 5-aza-2′-deoxycytidine, restoring both SOD2 expression and the ratio of proliferation to apoptosis. Expression of the enzymes that mediate gene methylation, DNA methyltransferases 1 and 3B, is upregulated in FHR lungs. Conclusions— Tissue-specific, epigenetic SOD2 deficiency initiates and sustains a heritable form of PAH by impairing redox signaling and creating a proliferative, apoptosis-resistant PASMC. SOD augmentation regresses experimental PAH. The discovery of an epigenetic component to PAH may offer new therapeutic targets.

Acute lung injury is a leading cause of death in bacterial sepsis due to the wholesale destruction of the lung endothelial barrier, which results in protein-rich lung edema, influx of proinflammatory leukocytes, and intractable hypoxemia. Pyroptosis is a form of programmed lytic cell death that is triggered by inflammatory caspases, but little is known about its role in EC death and acute lung injury. Here, we show that systemic exposure to the bacterial endotoxin lipopolysaccharide (LPS) causes severe endothelial pyroptosis that is mediated by the inflammatory caspases, human caspases 4/5 in human ECs, or the murine homolog caspase-11 in mice in vivo. In caspase-11-deficient mice, BM transplantation with WT hematopoietic cells did not abrogate endotoxemia-induced acute lung injury, indicating a central role for nonhematopoietic caspase-11 in endotoxemia. Additionally, conditional deletion of caspase-11 in ECs reduced endotoxemia-induced lung edema, neutrophil accumulation, and death. These results establish the requisite role of endothelial pyroptosis in endotoxemic tissue injury and suggest that endothelial inflammatory caspases are an important therapeutic target for acute lung injury.

Potassium (K+) efflux across the plasma membrane is thought to be an essential mechanism for ATP-induced NLRP3 inflammasome activation, yet the identity of the efflux channel has remained elusive. Here we identified the two-pore domain K+ channel (K2P) TWIK2 as the K+ efflux channel triggering NLRP3 inflammasome activation. Deletion of Kcnk6 (encoding TWIK2) prevented NLRP3 activation in macrophages and suppressed sepsis-induced lung inflammation. Adoptive transfer of Kcnk6−/− macrophages into mouse airways after macrophage depletion also prevented inflammatory lung injury. The K+ efflux channel TWIK2 in macrophages has a fundamental role in activating the NLRP3 inflammasome and consequently mediates inflammation, pointing to TWIK2 as a potential target for anti-inflammatory therapies.

Right ventricular hypertrophy (RVH) and RV failure contribute to morbidity and mortality in pulmonary arterial hypertension (PAH). The cause of RV dysfunction and the feasibility of therapeutically targeting the RV are uncertain. We hypothesized that RV dysfunction and electrical remodeling in RVH result, in part, from a glycolytic shift in the myocyte, caused by activation of pyruvate dehydrogenase kinase (PDK). We studied two complementary rat models: RVH + PAH (induced by monocrotaline) and RVH + without PAH (induced by pulmonary artery banding (PAB)). Monocrotaline RVH reduced RV O2-consumption and enhanced glycolysis. RV 2-fluoro-2-deoxy-glucose uptake, Glut-1 expression, and pyruvate dehydrogenase phosphorylation increased in monocrotaline RVH. The RV monophasic action potential duration and QTc interval were prolonged due to decreased expression of repolarizing voltage-gated K+ channels (Kv1.5, Kv4.2). In the RV working heart model, the PDK inhibitor, dichloroacetate, acutely increased glucose oxidation and cardiac work in monocrotaline RVH. Chronic dichloroacetate therapy improved RV repolarization and RV function in vivo and in the RV Langendorff model. In PAB-induced RVH, a similar reduction in cardiac output and glycolytic shift occurred and it too improved with dichloroacetate. In PAB-RVH, the benefit of dichloroacetate on cardiac output was approximately 1/3 that in monocrotaline RVH. The larger effects in monocrotaline RVH likely reflect dichloroacetate’s dual metabolic benefits in that model: regression of vascular disease and direct effects on the RV. Reduction in RV function and electrical remodeling in two models of RVH relevant to human disease (PAH and pulmonic stenosis) result, in part, from a PDK-mediated glycolytic shift in the RV. PDK inhibition partially restores RV function and regresses RVH by restoring RV repolarization and enhancing glucose oxidation. Recognition that a PDK-mediated metabolic shift contributes to contractile and ionic dysfunction in RVH offers insight into the pathophysiology and treatment of RVH.

Summary

 Cytosolic DNA acts as a universal danger-associated molecular pattern (DAMP) signal; however, the mechanisms of self-DNA release into the cytosol and its role in inflammatory tissue injury are not well understood. We found that the internalized bacterial endotoxin lipopolysaccharide (LPS) activated the pore-forming protein Gasdermin D, which formed mitochondrial pores and induced mitochondrial DNA (mtDNA) release into the cytosol of endothelial cells. mtDNA was recognized by the DNA sensor cGAS and generated the second messenger cGAMP, which suppressed endothelial cell proliferation by downregulating YAP1 signaling. This indicated that the surviving endothelial cells in the penumbrium of the inflammatory injury were compromised in their regenerative capacity. In an experimental model of inflammatory lung injury, deletion of cGas in mice restored endothelial regeneration. The results suggest that targeting the endothelial Gasdermin D activated cGAS-YAP signaling pathway could serve as a potential strategy for restoring endothelial function after inflammatory injury.